Системы электроприводов исполнительных механизмов современных буровых установок

В связи с ростом требований к повышению производительности буровых установок все большее их число оснащается индивидуальными регулируемыми электроприводами исполнительных механизмов. Основным видом регулируемого электропривода, отвечающего в полной мере требованиям технологического процесса бурения, выпускаемых в настоящее время отечественных буровых установок является электропривод постоянного тока по системе тиристорный преобразователь — двигатель ТП — Д. Данный тип привода в настоящее время применяется на всех буровых установок для бурения на глубинах 2500 м и более, а также на некоторой части буровых установок для бурения на глубину 1600 м.
Указанная система электропривода обеспечивает требуемый диапазон регулирования скорости, в случае необходимости этот диапазон может быть расширен за счет ослабления магнитного потока двигателя. Однако при этом допустимый момент нагрузки электродвигателя уменьшается.
С конструктивной точки зрения основное преимущество системы ТП — Д состоит в отсутствии генератора постоянного тока, имеющего коллекторный узел и щеточный аппарат. Тиристорный преобразователь ТП является устройством статического типа, не содержит вращающихся частей и не требует мощных фундаментов.
Тиристорные преобразователи выполняются в виде унифицированных блочных конструкций с высокой   степенью надежности, долговечности и ремонтопригодности. Благодаря малой мощности управления можно получить хорошие статические и динамические характеристики привода, а также обеспечить высокий уровень автоматизации.
Для тиристорных преобразователей характерны и некоторые недостатки, например, некоторое искажение формы напряжения в питающей сети, снижение коэффициента мощности при регулировании скорости вниз от номинального значения и др. Эти недостатки не всегда существенны и при необходимости могут быть скомпенсированы применением фильтро-компенсирующих устройств.
Электрооборудование, разработанное и выпускаемое для буровых установок, имеет усиленную конструкцию для тяжелых условий эксплуатации. Комплектные тиристорные преобразователи и системы управления выпускаются в контейнерах с необходимыми системами вентиляции, обогрева и освещения, что обеспечивает надежную работу и удобство обслуживания. Применительно к буровым установкам кустового бурения особо следует отметить такое важное преимущество электрического привода, как отсутствие жестких механических связей между блоками буровых установок, которые, по существу, заменяются гибкими кабельными связями. Контейнер с устройствами для питания электроприводов лебедки, ротора и регулятора подачи долота устанавливается в непосредственной близости к вышечно-лебедочному блоку и при переходе на новую скважину в кусте передвигается вместе с ним. Контейнер для питания привода буровых насосов устанавливается рядом с насосным блоком. В результате обеспечиваются дополнительные удобства при передвижках оборудования со значительной экономией времени. Кроме того, благодаря применению тиристорного электропривода достигается унификация оборудования буровых установок в электрическом и дизель-электрическом вариантах. Различие состоит только в части источников питания (соответственно это трансформаторная подстанция или автономная электростанция).
В настоящее время отмечается тенденция оснащения буровых установок электрооборудованием, рассчитанным на напряжение питания 690 В переменного тока, и двигателями постоянного тока на напряжение 800 В, что обеспечивает следующие преимущества:
снижение массы электрооборудования на 30 % по сравнению с использованием напряжения 400 В;
уменьшение площади, занимаемой оборудованием, экономия в массе и стоимости конструктивных блоков и модулей буровых установок;
уменьшение числа кабелей и монтажных соединений, в связи с чем повышается монтажно-транспортные показатели оборудования, что особенно важно для буровых установок повышенной транспортабельности.
Указанные мероприятия реализованы в буровой установке БУ-3900/225 ЭПК БМ
Направления развития электропривода основных механизмов буровых установок в основном совпадают с общей тенденцией развития электропривода на современном этапе — это постоянно расширяющаяся область применения регулируемого электропривода и компьютерных средств автоматизации при создании нового и модернизации действующего оборудования.
Применительно к буровым установкам следует отметить специфические требования в отношении безопасности работы персонала, надежности и взрывозащиты.
Конкретизируем направления совершенствования электропривода:
1. Широкое применение силовых полупроводниковых преобразователей новых поколений для регулирования координат (скорости, положения, момента и др.) электропривода.
2. Повышение мощности и снижение габаритов силовых полупроводниковых преобразователей энергии.
3. Стандартизация, унификация электрооборудования и повышение уровня его заводской готовности.
4. Повышение КПД и других технико-экономических показателей.
5. Создание серий комплектных электроприводов, включающих в себя силовое электрооборудование, системы автоматического управления, контроля и диагностики.
6. Унификация и миниатюризация аппаратуры управления.
7. Применение средств вычислительной техники, использование модульного построения систем управления.
8. Разработка типовых структур управления электроприводами на основе использования средств вычислительной техники.
9. Совершенствование конструкции электродвигателей и аппаратуры управления с целью повышения их уровня взрывозащиты и надежности.
1 0. Создание средств автоматизированного проектирования.
В настоящее время все ведущие электротехнические фирмы выпускают регулируемые электроприводы комплектно с компьютерными средствами автоматизации в виде гибко программируемых систем, адаптируемых к широкой области их применения.
Область применения различных типов регулируемых электроприводов в значительной степени определяется применяемой элементной базой силовых полупроводниковых преобразователей энергии. В связи с освоением промышленностью полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов в модульном исполнении: мощных полевых транзисторов (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) запираемых тиристоров с интегрированным управлением (IGCT) и запираемых тиристоров (GTO) разработаны полупроводниковые преобразователи, обеспечивающие плавное и экономичное регулирование скорости электродвигателей в широком диапазоне. На базе выпускаемых силовых полупроводниковых модулей создаются регулируемые электроприводы по системе преобразователь частоты — асинхронный короткозамкнутый двигатель (ПЧ — АД).
При мощности электропривода до 1 МВт для создания ПЧ в настоящее время используются модули IGBT, более 1 МВт — модули GTO или IGCT.
Создание надежных статических преобразователей частоты для управления асинхронными электродвигателями с использованием средств микропроцессорной техники привело к массовому применению электроприводов по системе ПЧ — АД в различных отраслях промышленности. Разработки в области частотно-регулируемых электроприводов нашли применение в электроприводах исполнительных механизмов ряда зарубежных буровых установок наземного и морского бурения.
С середины 90-х годов компанией АВВ начата комплектная поставка электрооборудования для буровых установок с частотно-регулируемыми электроприводами. В комплект входят электроприводы буровой лебедки, буровых насосов, верхнего привода (или ротора), а на морских буровых установок также якорных лебедок и гребных винтов. В качестве приводных двигателей применены асинхронные короткозамкнутые электродвигатели типа HXR, разработанные специально для использования в частотно-регулируемых электроприводах и приспособленные к условиям бурения. Электродвигатели — малошумные, с низким уровнем вибрации, с принудительной вентиляцией мощностью до 1400 кВт, не требующие водяного охлаждения.
Каждый привод имеет индивидуальный инвертор, работа которого основана на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Инверторы построены по мостовой трехфазной схеме, состоящей из шести полупроводниковых ключей.

Преимущества при применении частотно-регулируемого электропривода переменного тока

Каждый инвертор имеет свою собственную микропроцессорную систему управления. Для управления системой имеется контроллер прикладного программного обеспечения, позволяющий одновременно управлять несколькими инверторами. Статическая точность регулирования частоты вращения с обратной связью от импульсного датчика — 0,01 %; без обратной связи от 0,5 до 3 %. Указанные типы частотно-регулируемого электропривода нашли широкое применение на буровых установках месторождений Северного моря.
С 1998 г. компанией АВВ поставляются многодвигательные асинхронные частотно-регулируемые электроприводы типа АС8600 Multy Drive. Компанией АВВ освоена также серия высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов мощностью от 315 до 5000 кВт серий ACS1000. В качестве ключевых элементов в инверторах этой серии используются модули IGCT.
По сравнению с электроприводом по системе ТП — Д, частотно-регулируемый электропривод обладает следующими преимуществами:
сокращение массы и габаритов электрооборудования;
проще решается проблема обеспечения взрывозащиты электродвигателя;
более высокая точность регулирования скорости;
за счет прямого управления моментом достигаются требуемые показатели качества функционирования электропривода в динамических режимах;
уменьшение динамических нагрузок в КБТ и передаточном механизме, поскольку момент инерции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя значительно меньше момента инерции ротора двигателя постоянного тока;
более простыми средствами обеспечиваются сопряжение локальных систем автоматики с системой управления верхнего уровня;
повышается надежность и долговечность электропривода, работающего в тяжелых условиях эксплуатации;
благодаря встроенной системе диагностики сокращаются затраты на техническое обслуживание и простои технологического оборудования;
более высокое значение КПД за счет применения в преобразователях полупроводниковых приборов нового поколения с малыми внутренними потерями энергии и др.
Преимущества частотно-регулируемого электропривода конкретных исполнительных механизмов буровых установок приведены в таблице.